金星距離地球大約4100萬公里

明明金星距離地球很遠

為什麼我們在地球上

就能夠知道金星的大氣層含有二氧化碳呢？

我們在化學學過

大多數的氣體都是無色無味的

那麼科學家是如何判斷大氣層內的氣體

是哪一些氣體分子組成的呢？

最初在19世紀中期

科學家注意到氣體以高壓電加熱後

會放出光的現象

但是當時並不知道造成氣體發光現象的原理是甚麼

1859年克希何夫與本生發現元素處於氣態時

以高壓電加熱後所放出的光

透過狹縫與三稜鏡分光後

只有特定波長處會出現亮線

稱為發射光譜

科學家開始用各種不同的氣體做實驗

發現每一種元素的發射光譜

光譜上亮線的波長並不是連續的

而且在不同元素的光譜上

看到亮線的波長分布都不相同

因此每一種元素都有特定的發射光譜

像是身分證上或是商品上的條碼一樣

大家都不相同呢

雖然當時氫原子的可見光光譜

已經有四條被精準測定

但是當時的科學家還不知道這些光譜的波長規律是甚麼

1885年

瑞士數學教師巴耳末

藉由這些光譜波長的實驗值

歸納出波長的經驗公式

稱為巴耳末公式

後來

巴耳末繼續用此公式

推算出當時已經被發現的氫原子光譜譜線的波長

結果與實驗值相符合

巴耳末的公式

像是為光譜的領域開啟了一扇大門

幾年後

德國物理學家帕申發現的紅外光光譜

與美國物理學家來曼發現的紫外光光譜

也同樣可以用簡單的數學式表示

當時除了光譜的發現以外

原子的結構在19世紀末

開始漸漸被物理學家揭開面紗

到了1908年

拉塞福進行α粒子撞擊金箔的散射實驗

拉塞福發現帶正電的原子核的存在

推翻了湯姆森的葡萄乾布丁模型

並且提出新的原子行星模型

拉塞福的行星原子模型裡

電子像是行星一樣

環繞著原子核運行作圓周運動

但是這個模型並不是完美的

因為古典電磁學的理論當中提到

當電子運動具有加速度時

電子會不斷放出電磁波

能量降低

造成軌道會逐漸越來越小

最後撞上原子核

原子不可能維持穩定的存在

可是

所有的物質都是由原子組成

如果古典物理的理論是正確的

所有的物質都不會存在

那我們也都不能存在了呢！

1912年

波耳在拉塞福的實驗室致力研究原子結構

他受到普朗克的量子論影響

開始將量子論的概念引入自己的研究

另一方面

波耳在一次閱讀科學文獻期刊時

讀到了與巴耳末公式相關的論文

其中

不管是巴耳末發現的可見光光譜

帕申發現的紅外光光譜

與來曼發現的紫外光光譜

都是波長不連續的光譜呢

後來波耳受到了巴耳末公式的啟發

提出了新的原子結構模型

甚至在後來回憶時說

「就在我看到巴耳末公式的那一瞬間

突然一切都變得清楚了。」

從前一段我們知道

若依照拉塞福的原子模型

原子光譜應該會是連續光譜

與當時科學家們實驗發現的不連續光譜並不符合

於是

1913年波耳提出新的氫原子模型

來解釋實驗的現象

那麼

波耳的模型與拉塞福的模型

有哪些地方不相同呢？

古典力學認為電子具有無限多個軌道

每一個軌道都是連續相鄰的

電子可以在任何一個軌道運行

但是波耳認為電子繞行原子核運行時

不會遵守古典力學

波耳假設電子只會在特定的圓形軌道上運行

這些軌道稱為定態

除了定態

其他的電子軌道都不能夠存在

波耳提出新的氫原子模型

包含兩個重要且關鍵的假設

第一

波耳假設穩定態不會發出輻射

第一個假設結合了古典物理與量子論

波耳假設電子在特定的圓形軌道上運行時

並不會發出電磁波

稱為穩定態

波耳提出這些穩定態的角動量量子化的條件

電子在每個定態軌道的角動量L等於h除以2π的整數倍

h為普朗克常數

6.626乘以10的負34次方焦耳秒

其中

這個重要的整數n

稱為主量子數

若n等於1

此時電子的能量最低

此穩定態稱為基態

n等於2

此穩定態稱為第一激發態

n等於3

此穩定態稱為第二激發態

第二

波耳假設電子可以在軌道間跳躍

並且電子不管是向高能量的軌道跳躍

或是向低能量的軌道跳躍

都稱為躍遷

若由低能量的軌道躍遷至高能量的軌道

電子需要吸收能量

反之

若由高能量的軌道躍遷至低能階

電子會將能量以光子的形式放出

並且根據能量守恆定律

吸收或放出光子的能量

為躍遷兩個軌道能量的差值

電子在不同的軌道運行時

電子的速度與動能也不相同

因此不同的軌道具有特定不同的能量

而這些具有特定能量的軌道

也被稱為能階

現在我們來舉例說明

假設這是一個原子的能階圖

此時有一個電子位於基態

如果該電子向上躍遷到第二激發態

需要吸收多少的能量呢？

E3減E1等於負1減負6

等於5 eV

該電子需要吸收5 eV的能量

才能從基態向上躍遷到第二激發態喔

那麼大家來想一想

如果一個電子位於基態

現在吸收了4 eV的能量

電子會躍遷到哪一層軌道呢？

負6加4等於負2小於負1 eV

電子吸收的能量不夠

所以無法躍遷到第二激發態

另外

電子吸收的能量也不符合某兩能階的能量差

因此電子完全不會躍遷

我們來想一想

關於波耳的理論

下列敘述是否正確？

電子的每一個圓形軌道對應一個特定能量

電子在這些特定的軌道之間躍遷

因而產生了原子的光譜

兩個軌道之間的能量差值

就是光譜線的能量

這邊我們舉一個例子說明

電子如果從第二激發態躍遷到基態

會有3種不同能量的光子產生

因此軌道的數量與光譜線的數量並不相同

能量也不相同喔

回到片頭的問題

不同的原子

其電子的數量與排列都不同

造成能階不同

電子於不同能階躍遷所放出的光子亦不相同

每一個原子的光譜也都不相同

所以原子光譜就像是原子的身分證

也因此

我們才能由望遠鏡得到金星有和二氧化碳一樣的光譜

進而知道金星含有二氧化碳

學習完原子的光譜

讓我們來做個總結吧

想想看

有些手錶為了能在電影院或是較暗的地方

也可以清楚看到時間

這些手錶的指針或表面可以短時間發光

這是如何做到的呢？

歡迎留言分享你的想法

下次見囉

bye bye~~